2．电磁感应与电路的综合

例题2．在磁感应强度为B=0.4 T的匀强磁场中放一个半径r₀=50 cm的圆形导轨，上面搁有互相垂直的两根导体棒，一起以角速度ω=10³ rad/s逆时针匀速转动.圆导轨边缘和两棒中央通过电刷与外电路连接，若每根导体棒的有效电阻为R₀=0.8 Ω，外接电阻R=3.9 Ω，如所示，求：

(1)每半根导体棒产生的感应电动势.

(2)当电键S接通和断开时两电表示数(假定R_V→∞，R_A→0).

解析：(1)每半根导体棒产生的感应电动势为

E₁=Bl=Bl²ω=×0.4×10³×(0.5)² V＝50 V.

(2)两根棒一起转动时，每半根棒中产生的感应电动势大小相同、方向相同(从边缘指向中心)，相当于四个电动势和内阻相同的电池并联，得总的电动势和内电阻

为E＝E₁＝50 V，r=R₀＝0.1 Ω

当电键S断开时，外电路开路，电流表示数为零，电压表示数等于电源电动势，为50 V.

当电键S′接通时，全电路总电阻为：R′=r+R=(0.1+3.9)Ω=4Ω.

由全电路欧姆定律得电流强度(即电流表示数)为：I＝ A=12.5 A.

此时电压表示数即路端电压为：U=E-Ir=50-12.5×0.1 V＝48.75 V(电压表示数)

或U＝IR＝12.5×3.9 V＝48.75 V.

点拨：本题是电磁感应图象问题，主要考查法拉第电磁感应定律、闭合电路欧姆定律，解题的关键是画出等效电路，知道电路的连接方式，根据规律去解决问题。

1．电磁感应中的力和运动

例题1．(2008年天津理综25题)磁悬浮列车是一种高速低耗的新型交通工具。它的驱动系统简化为如下模型，固定在列车下端的动力绕组可视为一个矩形纯电阻金属框，电阻为R，金属框置于xOy平面内，长边MN长为l，平行于y轴，宽为d的NP边平行于x轴，如图1所示。列车轨道沿Ox方向，轨道区域内存在垂直于金属框平面的磁场，磁感应强度B沿Ox方向按正弦规律分布，其空间周期为λ，最大值为B₀，如图2所示，金属框同一长边上各处的磁感应强度相同，整个磁场以速度v₀沿Ox方向匀速平移。设在短暂时间内，MN、PQ边所在位置的磁感应强度随时间的变化可以忽略，并忽略一切阻力。列车在驱动系统作用下沿Ox方向加速行驶，某时刻速度为v(v<v₀)。

(1)简要叙述列车运行中获得驱动力的原理；

(2)为使列车获得最大驱动力，写出MN、PQ边应处于磁场中的什么位置及λ与d之间应满足的关系式：

(3)计算在满足第(2)问的条件下列车速度为v时驱动力的大小。

[解析]

(1)由于列车速度与磁场平移速度方向相同，导致穿过金属框的磁通量发生变化，由于电磁感应，金属框中会产生感应电流，该电流受到安培力即为驱动力。

(2)为使列车获得最大驱动力，MM、PQ应位于磁场中磁感应强度同为最大值且反向的地方，这会使得金属框所围面积的磁通量变化率最大，导致线框中电流最强，也会使得金属框长边中电流收到的安培力最大，因此，d应为的奇数倍，即

①

(3)由于满足(2)问条件，则MM、PQ边所在处的磁感应强度大小均为B₀且方向总相反，经短暂的时间Δt，磁场沿Ox方向平移的距离为v₀Δt，同时，金属框沿Ox方向移动的距离为vΔt。

因为v₀>v，所以在Δt时间内MN边扫过磁场的面积

S=(v₀-v)lΔt

在此Δt时间内，MN边左侧穿过S的磁通量移进金属框而引起框内磁通量变化

ΔΦ_MN = B₀l(v₀-v)Δt②

同理，该Δt时间内，PQ边左侧移出金属框的磁通引起框内磁通量变化

ΔΦ_PQ = B₀l(v₀-v)Δt③

故在Δt内金属框所围面积的磁通量变化

ΔΦ = ΔΦ_MN +ΔΦ_PQ④

根据法拉第电磁感应定律，金属框中的感应电动势大小

⑤

根据闭合电路欧姆定律有

⑥

根据安培力公式，MN边所受的安培力

F_MN = B₀Il

PQ边所受的安培力

F_PQ = B₀Il

根据左手定则，MM、PQ边所受的安培力方向相同，此时列车驱动力的大小

F = F_MN + F_PQ = 2 B₀Il⑦

联立解得

⑧．

点拔：本题是联系实际的问题，能很好考查电磁感应和力学结合的试题，有一定的难度，复习时要注意各知识的灵活运用．

4．电磁感应中的图象问题

电磁感应的图象主要包括B-t图象、Φ-t图象、E-t图象和I-t图象，还可能涉及感应电动势E和感应电流I随线圈位移x变化的图象，即E-x图象和I-x图象．一般又可把图象问题分为两类：①由给定的电磁感应过程选出或画出正确的图象．②由给定的有关图象分析电磁感应过程，求解相应的物理量．解答电磁感应中的图象问题的基本方法是利用右手定则、楞次定律和法拉第电磁感应定律等规律分析解答．

3．电磁感应中的能量转化问题

电磁感应过程实质是不同形式的能量转化的过程，而能量的转化则是通过安培力做功的形式而实现的，安培力做功的过程，是电能转化为其他形式的能的过程，“外力”克服安培力做功，则是其他形式的能转化为电能的过程．求解过程中主要从以下三种思路进行分析：①利用安培力做功求解，电磁感应中产生的电能等于克服安培力所做的功．注意安培力应为恒力．②利用能量守恒求解，开始的机械能总和与最后的机械能总和之差等于产生的电能．适用于安培力为变力．③利用电路特征来求解，通过电路中所产生的电能来计算．

2．电磁感应与电路的综合问题，关键在于电路结构的分析，能正确画出等效电路图，并结合电学知识进行分析、求解．求解过程中首先要注意电源的确定．通常将切割磁感线的导体或磁通量发生变化的回路作为等效电源．若产生感应电动势是由几个相互联系部分构成时，可视为电源的串联与并联．其次是要能正确区分内、外电路，通常把产生感应电动势那部分电路视为内电路．最后应用全电路欧姆定律及串并联电路的基本性质列方程求解．

电磁感应综合应用的中心是法拉第电磁感应定律，近年来的高考中，电磁感应的考查主要是通过法拉第电磁感应定律再综合力、热、静电场、直流电路、磁场等知识内容，有机地把力与电磁结合起来，具体反映在以下几个方面：

1．以电磁感应现象为核心，综合应用力学各种不同的规律(如牛顿运动定律、动量守恒定律、动能定理)等内容形成的综合类问题．通常以导体棒或线圈为载体，分析导体棒在磁场中因电磁感应现象对运动情况的影响，解决此类问题的关键在于运动情况的分析，特别是最终稳定状态的确定，利用物体的平衡条件可求最大速度之类的问题，利用动量观点可分析双导体棒运动情况．

本专题涉及的考点有：电磁感应现象、磁通量、法拉第电磁感应定律、楞次定律、导体切割磁感线时的感应电动势、右手定则、自感现象、日光灯等．《大纲》对自感现象等考点为Ⅰ类要求，而对电磁感应现象、磁通量、法拉第电磁感应定律、楞次定律、导体切割磁感线时的感应电动势、右手定则等考点为Ⅱ类要求．

电磁感应是每年高考考查的重点内容之一，电磁学与电磁感应的综合应用是高考热点之一，往往由于其综合性较强，在选择题与计算题都可能出现较为复杂的试题．电磁感应的综合应用主要体现在与电学知识的综合，以导轨+导体棒模型为主，充分利用电磁感应定律、楞次定律、安培力、直流电路知识、磁场知识等多个知识点，可能以图象的形式进行考查，也可能是求解有关电学的一些物理量(如电量、电功率或电热等)．同时在求解过程中通常也会涉及力学知识，如物体的平衡条件(运动最大速度求解)、牛顿运动定律、动能定理、动量守恒定理(双导体棒)及能量守恒等知识点．电磁感应的综合应用突出考查了考生理解能力、分析综合能力，尤其是考查了从实际问题中抽象概括构建物理模型的创新能力．

17. 　如图16所示，在足够大的空间内，同时存在着竖直向上的匀强电场和垂直纸面向里的水平匀强磁场，磁感应强度B＝1.57T，小球1带正电，其电荷量与质量之比，所受重力与电场力的大小相等，小球2不带电，静止放置于固定的水平悬空支架上，小球1向右以的水平速度与小球2正碰，碰后经过0.75s再次相碰。设碰撞前后两小球带电情况不发生改变，且始终在同一竖直平面内。(g＝10)问

(1)　 电场强度E的大小是多少？

(2)　 两小球的质量之比是多少？

16. 设在讨论的空间范围内有磁感应强度为B的匀强磁场，B的方向垂直于纸面向里，如图15所示，在纸平面上有一长为h的光滑绝缘空心细管MN，管的M端内有一带正电的小球P₁，在纸平面上N端的正右前方2h处有一个不带电的小球P₂，开始时P₁相对管静止，管向运动，小球P₂在纸平面上沿着以于MN延长线方向成角的速度运动，设管的质量远大于P₁的质量，P₁在管内的运动对管的运动的影响可以忽略。

已知P₁离开的管的N端时相对纸面的速度大小恰好为，且在离开管后最终能与P₂相碰，试求：(1)P₁的比荷

(2)和的比值

15. 如图14所示，ABCD表示竖立在场强为的水平匀强电场中的绝缘光滑轨道，其中轨道的BCD部分是半径为R的半圆环，轨道的水平部分与半圆环相切，A为水平轨道上的一点，而且，AB＝R＝0.2m，把一质量m＝10g、带电量q＝的小球在水平轨道的A点由静止释放后，小球在轨道的内侧运动(g＝10)。求：

(1)小球到达C点时的速度

(2)小球达到C点时对轨道的压力

(3)要使小球刚好能运动到D点，小球开始运动的位置应离B点多远？